Die NASA empfängt Laserkommunikation aus einer Entfernung von mehr als 140 Millionen Meilen

Ein Team bereitet die NASA-Raumsonde Psyche für den Start in der Astrotech Space Operations Facility in der Nähe des Kennedy Space Center der Agentur in Florida am 8. Dezember 2022 vor. Psyche wird an Bord einer SpaceX Falcon Heavy-Rakete vom Launch Complex 39A in Kennedy gestartet. Bildnachweis: NASA/Ben Smigelsky

NASADas Deep Space Optical Communications Experiment interagierte auch zum ersten Mal mit dem Kommunikationssystem der Raumsonde Psyche und übermittelte technische Daten zurück zur Erde.

An Bord der NASA-Raumsonde Psyche bricht die Demonstration der optischen Kommunikationstechnologie im Weltraum weiterhin Rekorde. Während die Raumsonde, die an einen Asteroiden fliegt, nicht auf optische Kommunikation angewiesen ist, um Daten zu senden, hat sich die neue Technologie als dieser Aufgabe gewachsen erwiesen. Nach der Interaktion mit dem Hochfrequenzsender von Psyche übermittelte das Laserkommunikationsdisplay eine Kopie technischer Daten aus einer Entfernung von mehr als 140 Millionen Meilen (226 Millionen Kilometern), was dem Anderthalbfachen der Entfernung zwischen Erde und Sonne entspricht.

Diese Errungenschaft gibt einen Einblick in die Art und Weise, wie Raumfahrzeuge in Zukunft optische Kommunikation nutzen werden, um die Kommunikation komplexer wissenschaftlicher Informationen mit höheren Datenraten sowie hochauflösende Bilder und Videos zu ermöglichen, um den nächsten großen Schritt der Menschheit zu unterstützen: Menschen in den Weltraum zu schicken. Mars.

Diese Visualisierung zeigt die Position der Raumsonde Psyche am 8. April, als der DSOC-Luftfahrtlaser-Transceiver Daten mit einer Rate von 25 Megabit pro Sekunde über eine Reichweite von 140 Millionen Meilen an eine Downlink-Station auf der Erde übermittelte. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech

„Wir haben während seines Vorbeiflugs am 8. April etwa zehn Minuten doppelte Daten des Raumfahrzeugs geliefert“, sagte Meera Srinivasan, Projektleiterin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Bis dahin hatten wir Test- und Diagnosedaten in unseren Downlinks von Psyche übertragen. Dies stellt einen wichtigen Meilenstein für das Projekt dar, da es zeigt, wie optische Kommunikation mit dem Hochfrequenzkommunikationssystem des Raumfahrzeugs interagieren kann.“

Die Laserkommunikationstechnologie in dieser Demonstration ist darauf ausgelegt, Daten aus dem Weltraum mit Geschwindigkeiten zu übertragen, die 10 bis 100 Mal schneller sind als moderne Hochfrequenzsysteme, die heute bei Weltraummissionen eingesetzt werden.

Nach ihrem Start am 13. Oktober 2023 bleibt die Raumsonde während ihrer Reise zum Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Erde intakt und stabil. der Jupiter Um das Asteroidenselbst zu besuchen.

Erwartungen übertreffen

Die Demonstration der optischen Kommunikation der NASA zeigte, dass sie Testdaten mit einer maximalen Rate von 267 Megabit pro Sekunde (Mbps) vom Nahinfrarot-Downlink-Laser des Laser-Transceivers übertragen kann – eine Bitrate, die der Download-Geschwindigkeit von Breitband-Internet ähnelt.

Dies gelang am 11. Dezember 2023, als das Experiment ein 15 Sekunden langes hochauflösendes Video aus einer Entfernung von 19 Millionen Meilen (31 Millionen Kilometer, also etwa das 80-fache der Entfernung zwischen Erde und Mond) zur Erde schickte. Video, zusammen mit anderen Testdaten, einschließlich digitaler Versionen der Arizona State University Psychologisch inspiriert Das Kunstwerk wurde vor der Markteinführung von Psyche im letzten Jahr auf einen Luftfahrt-Laser-Transceiver (siehe Bild unten) hochgeladen.

Der Laser-Transceiver „Deep Space Optical Communications“ (DSOC) wird im April 2021 im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien ausgestellt, bevor er in seinem kastenförmigen Gehäuse installiert wird, das später in die Raumsonde Psyche der NASA integriert wurde. Der Transceiver besteht aus einem Nahinfrarot-Lasersender, der Hochgeschwindigkeitsdaten zur Erde sendet, und einer empfindlichen Photonenzählkamera, um von der Erde gesendete Niedergeschwindigkeitsdaten zu empfangen. Der Transceiver ist auf einer Reihe von Streben und Aktuatoren montiert – wie in diesem Bild gezeigt –, die die Optik vor den Vibrationen des Raumfahrzeugs stabilisieren. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech

Da die Raumsonde nun mehr als siebenmal weiter entfernt ist, hat sich die Geschwindigkeit, mit der sie Daten senden und empfangen kann, erwartungsgemäß verringert. Während des Tests am 8. April übermittelte das Raumschiff Testdaten mit einer maximalen Rate von 25 Mbit/s und übertraf damit das Ziel des Projekts, nachzuweisen, dass in dieser Entfernung mindestens 1 Mbit/s erreicht werden kann, bei weitem.

Das Projektteam wies den Transceiver außerdem an, die von Psyche generierten Daten optisch zu übertragen. Während Psyche Daten über seinen Hochfrequenzkanal an das Deep Space Network (DSN) der NASA übermittelte, übermittelte das optische Kommunikationssystem gleichzeitig einen Teil derselben Daten an das Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium des Caltech im San Diego County, Kalifornien – es handelt sich um eine Basis Demonstration der Downlink-Bodenfunktechnologie.

„Nachdem wir Daten von DSN und Palomar erhalten hatten, überprüften wir die zugehörigen Daten visuell Labor für Strahlantriebesagte Ken Andrews, Leiter des Projektflugbetriebs bei JPL. „Es handelte sich um eine kleine Datenmenge, die in kurzer Zeit übertragen wurde, aber die Tatsache, dass wir dies jetzt tun, hat alle unsere Erwartungen übertroffen.“

Spaß mit Lasern

Nach dem Start von Psyche wurde die optische Kommunikationsdemo zunächst dazu verwendet, vorinstallierte Daten einschließlich Daten zu verknüpfen Taters Katzenvideo. Seitdem hat das Projekt bewiesen, dass der Transceiver Daten von … empfangen kann. Hochleistungs-Uplink-Laser Im JPL-Werk Table Mountain in der Nähe von Wrightwood, Kalifornien. Daten können auch an einen Transceiver gesendet und dann noch in derselben Nacht wieder mit der Erde verbunden werden, wie das Projekt kürzlich in einem „Transformationsexperiment“ demonstrierte.

Dieses Experiment übertrug Testdaten – sowie digitale Haustierfotos – nach Psyche und zurück, eine Hin- und Rückreise von bis zu 280 Millionen Meilen (450 Millionen Kilometer). Außerdem wurden große Mengen technischer Daten für die Technologiedemonstration übermittelt, um die Eigenschaften der optischen Kommunikationsverbindung zu untersuchen.

„Wir haben viel darüber gelernt, wie weit wir das System bei klarem Himmel ausbauen können Stürme „Sie haben den Betrieb sowohl am Tafelberg als auch am Palomar zeitweise eingestellt“, sagte Ryan Rogalin, Projektleiter für Empfängerelektronik bei JPL. (Während die Funkfrequenzkommunikation bei den meisten Wetterbedingungen funktioniert, erfordert die optische Kommunikation einen relativ klaren Himmel, um Daten mit hoher Bandbreite zu übertragen.)

Die Deep Space Station 13 im Goldstone Complex der NASA in Kalifornien – Teil des Deep Space Network der Agentur – ist eine nachgerüstete experimentelle Antenne mit optischer Spitze. Dieser Proof of Concept empfing zunächst gleichzeitig Radiofrequenz- und Lasersignale aus dem Weltraum. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech

JPL leitete kürzlich ein Experiment zur Kombination von Palomar, einer experimentellen optischen Hochfrequenzantenne im Goldstone Deep Space Communications Complex von DSN in Barstow, Kalifornien, und einem Detektor am Tafelberg, um dasselbe Signal gemeinsam zu empfangen. Das „Anordnen“ mehrerer Bodenstationen so, dass sie einen großen Empfänger nachahmen, kann dazu beitragen, das Weltraumsignal zu verstärken. Diese Strategie kann auch nützlich sein, wenn eine Bodenstation aufgrund der Wetterbedingungen offline gehen muss; Andere Sender können das Signal weiterhin empfangen.

Mehr zur Mission

Diese vom JPL geleitete Demonstration ist die jüngste in einer Reihe optischer Kommunikationsexperimente, die vom Technology Demonstration Mission (TDM)-Programm der NASA und dem SCaN-Programm (Space Communications and Navigation) der Agentur innerhalb des Space Operations Mission Directorate finanziert werden. Die Entwicklung des Luftfahrt-Laser-Transceivers wird unterstützt von Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory, L3 Harris, CACI, First Mode, Controlled Dynamics Inc., Fibretek, Coherent und Dotfast unterstützen Bodensysteme. Ein Teil dieser Technologie wurde im Rahmen des Small Business Innovation Research Program der NASA entwickelt.

Die Arizona State University leitet die Psyche-Mission. JPL ist für das gesamte Missionsmanagement, die Systemtechnik, die Integration und Tests sowie den Missionsbetrieb verantwortlich. Psyche ist die 14. Mission, die im Rahmen des Explorationsprogramms der NASA unter dem Science Mission Directorate ausgewählt wurde, das vom Marshall Space Flight Center der Agentur in Huntsville, Alabama, verwaltet wird. Das Launch Services Program der NASA mit Sitz im Kennedy Space Center der Agentur in Florida verwaltete den Startdienst. Maxar Technologies lieferte das hochenergetische solarelektrische Antriebschassis für Raumfahrzeuge aus Palo Alto, Kalifornien.